基于無感支付的高速公路ETC設(shè)計

符方睿

(廣東新粵交通投資有限公司，廣東 廣州 510700)

1 基于無感支付的高速公路ETC構(gòu)成與功能設(shè)計

圖1 高速公路無感支付ETC構(gòu)成圖

基于無感支付的高速公路ETC主要由入口檢測系統(tǒng)、智能感知平臺、車載OBU、無感支付收費(fèi)系統(tǒng)、車道處理系統(tǒng)、出口檢測系統(tǒng)、車輛支付系統(tǒng)、車主識別系統(tǒng)、車輛風(fēng)險等級監(jiān)測系統(tǒng)等組成(如圖1所示)。其中入口檢測系統(tǒng)和出口檢測系統(tǒng)涵蓋了車檢器、繳費(fèi)顯示器、自動欄桿機(jī)、車道控制系統(tǒng)、聲光警報器以及通訊系統(tǒng)等。高速公路無感支付ETC系統(tǒng)能夠智能感知過往車輛進(jìn)出的圖像信息和車主信息，在車輛支付系統(tǒng)中將車輛行駛數(shù)據(jù)與車主用戶信息相匹配，為其形成支付訂單并完成支付。入口、出口檢測系統(tǒng)與車載OBU通過5.8 GHz的短程通信相連接；入口、出口檢測系統(tǒng)通過無線網(wǎng)與車道處理系統(tǒng)和車道控制系統(tǒng)相連接。運(yùn)用5G感知技術(shù)和圖像識別技術(shù)精準(zhǔn)識別過往車輛的車型與號牌等數(shù)據(jù)信息，確保車輛以80 km/h以上的速度都可實(shí)現(xiàn)不停車過卡口，真正實(shí)現(xiàn)高速公路通行繳費(fèi)無感支付的目的[1]。

2 基于無感支付的高速公路設(shè)計思路

高速公路無感支付的ETC收費(fèi)系統(tǒng)區(qū)別于以往的單獨(dú)收費(fèi)通道，而是在ETC通道配備無感支付系統(tǒng)、車主識別系統(tǒng)、車道控制系統(tǒng)、圖像識別系統(tǒng)、信息通信系統(tǒng)等設(shè)備，并搭配無感信息匹配平臺、前置處理集群、用戶查詢平臺、卡口信息采集服務(wù)器等軟件算法，以此確保無感支付ETC收費(fèi)通道繳費(fèi)準(zhǔn)確，道路暢通。無感支付ETC車道的入口和出口都需要安裝具有車型、號牌等圖像信息識別的高清攝像頭、紅外檢測器和ETC射頻裝置。在ETC車道裝入無感支付設(shè)備或?qū)TC車道與無感支付車道合并組成同一車道，能夠有效解決ETC用戶賬戶余額不足的情況，可以快速為用戶形成無感支付訂單?；跓o感支付的高速公路ETC收費(fèi)通道依然要設(shè)置自動化欄桿，若無法查明車主身份和賬戶信息需要及時攔截車輛，快速切換ETC收費(fèi)系統(tǒng)完成支付。

3 基于無感支付的高速公路ETC框架設(shè)計

高速公路無感支付ETC收費(fèi)系統(tǒng)的基本框架為應(yīng)用層、中間層和感知層。

應(yīng)用層為用戶端口的信用支付信息、行程信息和賬戶體系支撐系統(tǒng)，負(fù)責(zé)管理用戶注冊和用戶數(shù)據(jù)，用戶端口要與高速公路無感支付平臺進(jìn)行匹配與連接。

中間層是指高速公路收費(fèi)處的卡口手機(jī)信息采集系統(tǒng)和車輛、車牌識別處理系統(tǒng)，還配備了信息采集裝置、微波傳感器、車牌識別芯片、人像識別芯片以及服務(wù)端，收費(fèi)系統(tǒng)與車輛信息數(shù)據(jù)庫和車輛進(jìn)出記錄數(shù)據(jù)庫互聯(lián)。當(dāng)車輛進(jìn)入收費(fèi)通道后，車輛、車牌識別系統(tǒng)和射頻鏡頭模組會接受到微波傳感器的感知信號并開啟工作，對車輛和車主賬戶信息進(jìn)行提取和讀寫，并將信息通過射頻卡發(fā)送代碼，傳輸?shù)杰囕v信息數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行信息對比，將車輛的通行信息、賬戶信息、繳費(fèi)信息共同存入數(shù)據(jù)管理中心。根據(jù)車牌識別和人像識別判斷司機(jī)是否為車主，若司機(jī)為該車車主，需按照車主賬戶信息完成繳費(fèi)；若司機(jī)不是該車車主，需按照司機(jī)賬戶信息扣除費(fèi)用[2]。

感知層是指收費(fèi)系統(tǒng)的智能感知設(shè)備，主要包括5G基站，用于感知用戶手機(jī)信號，與運(yùn)營商進(jìn)行信息驗證以確保手機(jī)信息的合法性；高清高速攝像機(jī)，用于拍攝過往車輛的高清圖像；5.8 GHz天線設(shè)備用于收發(fā)車輛信號，可捕捉和感應(yīng)車輛上車載單元的數(shù)據(jù)信息，快速完成一次性識別與扣費(fèi)；圖像處理邊緣計算終端，用于車輛、車型、車牌等信息的識別；信息采集匯集服務(wù)器，用于數(shù)據(jù)處理和信息上傳。

4 高速公路無感支付ETC實(shí)際應(yīng)用案例

4.1 工程概況

汕汾高速公路湖心擴(kuò)建專項工程項目就運(yùn)用了無感支付的ETC收費(fèi)技術(shù)。汕汾高速公路是國家規(guī)劃建設(shè)的主干線中沈海高速公路的組成部分，始于閩粵交界汾水關(guān)，終點(diǎn)位于汕頭市龍湖區(qū)，途經(jīng)潮州市、汕頭市，與汕頭海灣大橋及深圳至汕頭汽車專用公路相連，是深圳、汕頭和廈門公路交通的主干線。汕汾高速公路湖心收費(fèi)站原本為三進(jìn)四出，經(jīng)過湖心收費(fèi)站的車流量逐年遞增，收費(fèi)站的通行能力和營運(yùn)能力有待加強(qiáng)，需要將收費(fèi)站車道的“三進(jìn)四出”改擴(kuò)為“三進(jìn)六出”。

4.2 工程說明

汕汾高速公路湖心收費(fèi)站擴(kuò)建后新增了1條收費(fèi)車道、1條ETC車道，改遷3條收費(fèi)車道，在入口和出口分別增加1套全計重設(shè)備和2條雙軸組件重設(shè)備，將MTC出口改為ETC車道，在ETC車道裝入無感支付技術(shù)，在收費(fèi)站車道、廣場模擬監(jiān)控設(shè)施升級為網(wǎng)絡(luò)數(shù)字監(jiān)控設(shè)施。汕汾高速公路的全線8個收費(fèi)站點(diǎn)共開通了23條無感支付車道，無感支付車道運(yùn)用了車輛識別技術(shù)和車輛檢測傳感技術(shù)，能夠兼容掃碼付和車牌付兩種方式。掃碼付只需要在移動支付車道內(nèi)打開手機(jī)付款碼就可快速繳費(fèi)通過收費(fèi)站；車牌付需要運(yùn)用粵通卡和高速通等軟件提前與支付賬戶相關(guān)聯(lián)，即可自動完成支付快速通過收費(fèi)站。

4.3 工程效益

汕汾高速公路湖心收費(fèi)站ETC無感支付的多種支付模式的開設(shè)，大幅提升了通行效率，有效緩解因收費(fèi)站擁堵引起的通行壓力和安全風(fēng)險，實(shí)現(xiàn)了“3秒秒速通行”，并且在粵通卡app或無感收費(fèi)的微信小程序中就能查詢訂單號和出具電子發(fā)票。汕汾高速公路湖心收費(fèi)站的擴(kuò)建對廣東東部沿海地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重大意義，便利了周邊城市的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)聯(lián)結(jié)，真正打造了新一代智慧高速公路，為ETC用戶提供更優(yōu)質(zhì)的通行服務(wù)。

5 基于無感支付的高速公路ETC關(guān)鍵技術(shù)

5.1 ETC射頻模塊及微波智能天線裝置

收費(fèi)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一為ETC射頻模塊技術(shù)，能夠支持高速公路無感支付ETC收費(fèi)通道的短程通信的基帶處理，能夠接收基帶處理模塊5.8 GHz射頻收發(fā)模塊的處理信息?；鶐幚砟K與5.8 GHz射頻收發(fā)模塊共同連接電源控制模塊，能夠為ETC射頻模塊持續(xù)輸送電量，通過5.8 GHz的射頻收發(fā)模塊還可連接天線單元，實(shí)現(xiàn)無線通信鏈路的建立，為高速公路無感支付ETC收費(fèi)系統(tǒng)提供高頻率、遠(yuǎn)距離、傳輸快、抗干擾能力強(qiáng)且信道純凈的遠(yuǎn)程通信渠道。ETC射頻模塊及微波智能天線裝置運(yùn)用了正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDM)和點(diǎn)對點(diǎn)的組網(wǎng)方式，速率高達(dá)54 Mbps，支持多個車主用戶同時性的信息采集和信道部署，為收費(fèi)系統(tǒng)提供高達(dá)432 Mbit/s的共享吞吐量。ETC射頻模塊技術(shù)使用ASK的調(diào)制方式，發(fā)射功率維持在4～15 dBm，發(fā)生功率等射頻參數(shù)如表1所示[3]。

表1 ETC射頻模塊的射頻參數(shù)

5.2 圖像處理邊緣計算的車牌號碼識別技術(shù)

高速公路無感支付ETC收費(fèi)系統(tǒng)的應(yīng)用基礎(chǔ)為車牌號識別，ETC收費(fèi)系統(tǒng)的車牌號識別運(yùn)用了邊緣計算技術(shù)、深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、圖像處理技術(shù)，滿足了收費(fèi)系統(tǒng)車牌號信息低時延、高精度的識別需求。圖像處理邊緣計算的車牌號碼識別技術(shù)主要包括圖像預(yù)處理、車牌號粗定位、車牌號細(xì)識別、卷積處理、字符識別等模塊。通過高速高清攝像機(jī)的視頻接口提取關(guān)鍵幀，運(yùn)用高斯平滑、中值濾波、X向sobel濾鏡等數(shù)學(xué)運(yùn)算方式將關(guān)鍵幀進(jìn)行圖像預(yù)處理，若車牌號成功完成粗定位，便開展車牌號信息的精細(xì)識別和卷積處理，最后進(jìn)行任務(wù)卸載至云服務(wù)器；如果車牌號在輪廓查找和面積篩選等方式下依然未完成粗定位，就需要直接卸載、結(jié)束識別。此技術(shù)為高速公路無感支付ETC收費(fèi)系統(tǒng)提供了邊緣處理技術(shù)支持，并且能夠持續(xù)應(yīng)對到2025年前高速公路智能運(yùn)行系統(tǒng)對邊緣計算和人工智能的要求。

5.3 高速公路收費(fèi)通道車輛檢測傳感技術(shù)

基于無感支付下的高速公路收費(fèi)通道從入口到出口都需要裝配檢測樁、識別區(qū)和欄桿機(jī)，檢測樁內(nèi)部運(yùn)用了光幕傳感器，兩個檢測樁分別連接了車牌識別系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)，收費(fèi)通道的識別區(qū)地面嵌入了地磁傳感器，以此精準(zhǔn)識別過往車輛型號和通行信息。車輛檢測傳感技術(shù)通過運(yùn)用光幕傳感器，能夠有效解決跟車現(xiàn)象，將小型汽車、半掛車、全掛車進(jìn)行分離，確保收費(fèi)信息與車輛司機(jī)的無感支付繳費(fèi)信息相一致。檢測傳感技術(shù)在強(qiáng)光、暴雨、暴雪、濃霧、高溫等惡劣氣候條件下依然能夠正常運(yùn)作，并且車輛檢測傳感設(shè)備的維修與保養(yǎng)便捷，在不封閉車道的條件下就能實(shí)現(xiàn)對傳感器的檢查與維護(hù)。高速公路無感支付ETC收費(fèi)通道運(yùn)用車輛檢測傳感技術(shù)可以準(zhǔn)確識別車輛的行駛方向、車軸數(shù)、底盤高度、側(cè)面輪廓、車頭間距和排隊長度等參數(shù)，誤檢率低，可精準(zhǔn)無誤地檢測車輛車型和車牌等具體信息[3]。

5.4 高速公路收費(fèi)通道入口誤闖智能報警技術(shù)

高速公路無感支付ETC收費(fèi)系統(tǒng)所應(yīng)用的入口誤闖智能報警設(shè)備裝配在通道一側(cè)的安全島。安全島上分別設(shè)置了紅外線報警器和地感線圈，報警器與車輛檢測器、欄桿機(jī)相連接。當(dāng)行人、非機(jī)動車輛、摩托車、不合規(guī)運(yùn)輸車輛等通過會立即開啟紅外線報警器，以此實(shí)現(xiàn)誤闖報警，避免行人和非法運(yùn)營車輛進(jìn)入高速公路。高速公路收費(fèi)通道入口誤闖智能報警系統(tǒng)運(yùn)用了兩個紅外線報警器，有效避免因一個報警器無法正常開啟報警反應(yīng)而影響高速公路的車輛運(yùn)行秩序，使智能報警系統(tǒng)始終處在高效工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)更精確的報警。在高速公路封閉的情況下，即使有車輛接觸到地感線圈，欄桿機(jī)也會持續(xù)保持關(guān)閉；當(dāng)未檢測到異常車輛和特殊情況，欄桿機(jī)始終保持敞開狀態(tài)，以提高車輛的通行能力和用戶的無感支付體驗[4]。

6 基于無感支付的高速公路ETC測試

6.1 收費(fèi)系統(tǒng)測試方法

基于無感支付的高速公路ETC收費(fèi)系統(tǒng)測試需要全方位測試系統(tǒng)的各個工作模塊和運(yùn)行維度，需要對系統(tǒng)的用戶端、車輛檢測、車輛信息識別、數(shù)據(jù)傳輸、ETC射頻、視頻采集、現(xiàn)場識別等進(jìn)行全面測試，準(zhǔn)確測試系統(tǒng)各個層面的正?；虍惓Ｇ闆r，以此確保高速公路無感支付ETC收費(fèi)系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)作。收費(fèi)系統(tǒng)為模塊測試和集成測試相統(tǒng)一的測試方法，對各項軟硬件和系統(tǒng)模塊進(jìn)行粒度測試，以及對系統(tǒng)整體運(yùn)作情況的集成測試，使測試結(jié)果符合系統(tǒng)設(shè)計需要。

6.2 收費(fèi)系統(tǒng)測試結(jié)果

通過對高速公路無感支付ETC收費(fèi)系統(tǒng)的測試，用戶端的注冊登錄、車主信息、車牌號信息綁定等功能正常，用戶信息均可完整傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫中心；用戶端的通行費(fèi)計算、收費(fèi)點(diǎn)查詢、出行導(dǎo)航等功能正常，通行費(fèi)金額計算準(zhǔn)確；用戶端的訂單支付模塊的預(yù)約支付和現(xiàn)場支付功能正常，可便捷快速的完成訂單的無感支付。高速公路無感支付ETC收費(fèi)系統(tǒng)的的視頻采集能夠精準(zhǔn)抓拍車輛圖像，視頻監(jiān)控可實(shí)時顯示視頻畫面，車牌識別模塊的識別準(zhǔn)確率高達(dá)99.9%。同時，高速公路無感支付ETC收費(fèi)系統(tǒng)的信號傳遞、高清高速攝像頭、系統(tǒng)報警、ETC射頻、圖像處理、信息采集、計費(fèi)顯示器等模塊均可正常運(yùn)作，收費(fèi)系統(tǒng)各項程序的故障率也極低，能夠滿足用戶無感支付、快速通行的需求。

6.3 車輛通行能力仿真

對高速公路無感支付ETC收費(fèi)系統(tǒng)測試完成后，還需要模擬和仿真車輛的通行情況，本系統(tǒng)測試運(yùn)用MATLAB仿真軟件，通過模擬車輛的通行與收費(fèi)情況來更全面的檢測收費(fèi)系統(tǒng)性能。首先需要設(shè)定仿真通行參數(shù)，得出具體的車輛通行能力的數(shù)值。

(1)

式中：γ為車輛的通行能力；ta為車輛的駛?cè)霑r間；tb為車輛的駛離時間。

通行能力仿真還需要設(shè)定收費(fèi)通道的寬度、收費(fèi)點(diǎn)的距離、車輛平均長度、車輛安全通行距離以及車輛應(yīng)急反應(yīng)時間等參數(shù)，模擬車輛在1 h內(nèi)的通行能力，并與高速公路傳統(tǒng)ETC收費(fèi)系統(tǒng)作對比。通過車輛通行能力的仿真模擬，能夠明確看出高速公路無感支付ETC收費(fèi)系統(tǒng)的各項程序和模塊的運(yùn)行水平和車輛的通行能力均強(qiáng)于傳統(tǒng)ETC收費(fèi)系統(tǒng)。

7 結(jié) 語

高速公路ETC收費(fèi)系統(tǒng)運(yùn)用無感支付技術(shù)是一項符合智能交通理念的發(fā)展路徑，能夠切實(shí)提升高速公路的管理水平和智能化服務(wù)水平。本項收費(fèi)系統(tǒng)運(yùn)用了ETC射頻模塊及微波智能天線裝置、圖像處理邊緣計算的車牌號碼識別技術(shù)、高速公路收費(fèi)通道車輛檢測傳感技術(shù)和高速公路收費(fèi)通道入口誤闖智能報警技術(shù)，能夠精準(zhǔn)識別過往車輛的車牌號和車主信息，及時將信息傳遞數(shù)據(jù)庫中心，在短時間內(nèi)為用戶形成繳費(fèi)訂單，以此不斷提高高速公路收費(fèi)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率和車輛通行能力。